氷上の科学: 注目すべき南極の実験 7 つ

1950 年代以来、少数ではあるがますます増えている国際的な科学者たちが、世界で最も遠い大陸である南極大陸で何ヶ月も続けて過ごしてきた。今年は 29 か国が南極で研究プログラムを開催し、10 月から 3 月までの夏季に約 800 人の科学者とサポートスタッフが南極に向かうことになる。米国南極プログラムだけでも 100 以上のプロジェクトが予定されており、その多くは失われた時間を取り戻すためのものだ。2013 年は隔離措置により一部の探検隊が氷上で活動できなかった。米国主導のプロジェクトでは、気候変動がどのように進行しているのか、宇宙の最も初期の瞬間はどのようなものだったのかなど、いくつかの重要な疑問を調査する。ここでは、注目すべき 7 つの実験を紹介する。

1 – 海洋食物連鎖

砕氷船を備えた全長281フィートのナサニエル・B・パーマー号は、AMLRチームを乗せて海を渡り、オキアミと呼ばれる体長2インチの甲殻類を探します。ペンギンやクジラ、そして人間も、オキアミを食料源としています。30年にわたる研究を経ても、生態学者はオキアミの冬のパターンについてほとんど知りませんでした。AMLRチームは、音響探査装置を使用して海氷の下に隠れることを好むオキアミの分布を地図化する5年間の調査の3年目にあります。この作業は、米国が南極のオキアミ漁業を管理するのに役立つでしょう。

2 – 地球の氷の融解

南極の氷に埋め込まれた GPS と地震センサーは、グリーンランドのセンサーとともに、極地氷観測ネットワーク (PoleNet) を構成している。今年、チームは 3 つの新しいステーションを追加する予定で、各ステーションには約 3,000 ポンドの監視装置が設置されている。データは、西南極の氷床が溶けるにつれて地殻がどのように跳ね返るかを地質学者が予測するのに役立つ。このプロジェクトは、今年初めに他の研究者が発見したように、氷の融解が暴走過程であるかどうか、また跳ね返りが地震や火山の噴火につながる可能性があるかどうかを確認できるかもしれない。

3 – 回避粒子

天文学者たちは数十年にわたってニュートリノの検出に取り組んできた。ニュートリノは捉えにくい粒子で、その特徴は超新星の仕組みや暗黒物質とは何なのかといった謎を解く上で役立つ。従来のニュートリノ検出器は、日本のスーパーカミオカンデのように、廃坑に作られた水槽である。しかし、アイスキューブチームの研究者たちは、スーパーカミオカンデの2万倍の大きさの検出器を、わずか2倍の価格で作る方法を考え出した。タンクの代わりに、彼らは南極のほぼ完全に透明な氷1立方マイルを使用し、1マイル以上の深さに5,160個の光学センサーを掘削した。2010年に検出器が稼働を開始して以来、30を超えるニュートリノが検出された。今年、チームは昨年設置したコンピューターをテストして検出器の自律性を高め、宇宙のどこでニュートリノが発生したのかを示す証拠を見つけたいと考えている。

4 – 幼い宇宙

3月に宇宙学者らは、BICEP2望遠鏡による重要な成果を報告した。それは、かつては推測の域を出なかったインフレーション理論、つまりビッグバン直後の宇宙の激しい膨張の証拠である。しかし、驚くべき主張には驚くべき証拠が必要であり、他の天文学者たちは実験を繰り返す（あるいは反証する）ためのさらなる研究を求めている。今シーズンは、BICEP3が展開される。前任機より5倍のセンサーと3倍の視野を持つこの望遠鏡は、BICEP2の発見を裏付けるか、否定するのに役立つはずだ。

5 – 暗闇の中の微生物

生物学者は、太陽エネルギーに依存する微生物が、暗い極地の冬を生き延びる仕組みについてほとんど知らない。そこでALPSチームは、氷に覆われた2つの湖にセンサーステーションを設置した。各ステーションには藻類検出器、植物プランクトンサンプラー、水化学分析装置が備えられており、年間を通じてデータ収集が可能である。今シーズン、チームは越冬データを初めて確認する。この結果は、木星の衛星エウロパのような氷に覆われた他の天体でも同様の微生物が生き延びるかどうかを宇宙生物学者が予測するのに役立つ可能性がある。

6 – 隠された星

南極はちょうど極地にあるため、地球の混沌とし​​た大気はそこでは安定しており、予測可能です。つまり、巨大な気球（フットボール競技場よりも幅が広く、ワシントン記念塔ほどの高さのものもあります）は、大陸を周回しながらも、打ち上げ地点の近くに着陸することができます。今シーズン、長時間気球飛行チームの積載物は 1,700 ポンドのガンマ線望遠鏡で、大気圏に隠れた星を地上から観察するために打ち上げられます。この技術により、宇宙船の打ち上げ費用のほんの一部で、宇宙船並みの調査旅行が可能になります。

7 – ペンギンの進化

ペンギンは重要な捕食者なので、南極海の生態系が気候変動にどう適応しているかを示す指標となる。ペンギンサイエンスチームは、南極の氷の中に保存された骨と卵殻の4万5000年分の記録、および生きたアデリーペンギンに15年間足環を付けたデータを使用して、ペンギンが現在どう適応しているかを解明している。今年、チームは、ペンギンの餌探しの能力が後天的なスキルなのか遺伝的特性なのか、そしてその能力が海氷が溶けても生き残れるかどうかに焦点を当てる。

さらにマクマード基地が改装される

全米科学財団は、大陸で最大かつ最も活発な基地であるマクマード基地を数年かけて改修する計画を立てている。改修案には、100 を超える建造物の多くを交換、新しい風力タービンを追加、帯域幅を増加、主要研究施設であるクレイリー研究所の機器をアップグレードすることなどが含まれる。技術者は、極地探検に特化した高度なグライダー、ロボット フィールド ステーション、自動横断車両の開発に特化した DARPA スタイルの研究棟を利用できるようになるかもしれない。

地図データは米国南極プログラム提供、ペンギンのコロニーの位置は HJ Lynch および MA LaRue 提供、日の出データは米国海軍天文台提供。

訂正 (2014 年 9 月 22 日、午後 7 時 30 分 ET):この地図のオリジナル バージョンでは、2 つの自律湖沼プロファイリングおよびサンプリング ステーションがブラッド フォールズとウィランズ湖にあると誤って記載されていました。どちらもマクマード基地近くのボニー湖にあります。地図は修正されました。この誤りをお詫び申し上げます。

この記事はもともと、2014 年 10 月号の『Popular Science』に「世界の底にある研究室」というタイトルで掲載されました。